江南官方网站下载·【深度好文、值得收藏】发动机完整报告

　　航空发动机是飞机的“心脏”，是保证航空飞行器战术技术性能和飞行安全的决定 性部件。航空涡轮发动机主要由风扇、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。从进气 装置进入的空气在压气机中被压缩后，进入燃烧室并在那里与喷入的燃油混合燃烧， 生成高温高压燃气。燃气在膨胀过程中驱动涡轮高速旋转，将部分能量转变为涡 。涡轮带动压气机旋转不断吸进空气并进行压缩，使发动机能连续工作。高压 压缩机、燃烧室和高压涡轮被称为核心机。在运行过程中，该部分将受到温度、压力 和转速方面最苛刻条件的影响。因此，核心机将以更快的速度劣化，可能在每次大 修时进行维修、更换，以恢复失去的性能。

　　现代航空发动机由模块构成，任何模块都可以作为一个整体更换。风扇/低压压 缩机（LPC）模块是发动机上的第一个部件。风扇模块的关键部件包括风扇叶片、风 扇盘和压缩机壳体。目前的风扇叶片通常由钛制成，但许多新一代机型也使用高强 度复合材料。高压压缩机（HPC）模块由一系列转子和定子组件组成，其主要功能 是提高供应给燃烧室的空气压力。转子组件关键部件是轴向安装的压缩机叶片，而 定子组件关键部件是压缩机叶片。燃烧室（CBT）是向循环中添加燃料以产生热能 的地方。

　　目前大多数现代涡扇发动机采用环形燃烧系统。燃烧室的关键部件包括内 壳、燃料喷嘴和高压喷嘴导向叶片。高压涡轮（HPT）模块位于压缩机后机架后部和 LPT定子壳体前部。HPT模块由HPT转子和喷嘴导叶组件组成，用于提取燃烧热能以 驱动高压压缩机和附属齿轮箱。低压涡轮机（LPT）位于HPT模块的下游。LPT部件 包括LPT转子、LPT喷嘴定子罩和涡轮机后机架。LPT提取剩余的燃烧热能，以驱动 风扇和低压压缩机转子组件。附件驱动部分通常连接到发动机芯或风扇壳体。附件 驱动装置将发动机的机械能传输到安装在附件齿轮箱上的基本发动机和飞机附件 （如发电机和液压泵）。

　　核心是航空发动机的重要组成部分。核心机是民用航空发动机最重要的组成部分，包括了机系统中温度最高、压力最大、转速最高的组件和系统，基于成熟的、性能先进的核 心机基础上发展系列民用发动机，可以达到减少发动机研制成本、缩短研制周期的 目的。

　　纵观发动机发展史，航空涡轮发动机的发展可以划分为四代。第一代发动机采用单高压比离心压气机、加力燃烧室等关键技术增加发动机推力；第二代发动机的双 转子技术、可调静子技术的应用使得总压比和工作稳定性大幅提高，推力和油耗到显著改善；第三代发动机采用了众多新技术，包括高效气动设计技术、全权限数 字式电子控制系统等，并开始应用单晶叶片和复合材料，满足了战斗机高机动性需求，大大提高了推重比和工作稳定性；发动机的一体化加力燃烧室、隐身 结构和涂层、矢量喷管等技术大大提升了发动机推重比和信号特征，可靠性、耐久成倍增长，全生命周期费用降低。近年来，美、俄等国纷纷宣布开始研制下一代战 斗机发动机。

　　美国将自适应发动机确定为空军下一代战斗机的动力形式，开展持 续的技术成熟与风险降低；俄罗斯新一代发动机采用新型冷却系统，压气机和 涡轮叶片都采用了新材料，不论是节油性能、使用寿命，还是推力都有显著提高。未 来，随着新技术的不断融合，传统燃气涡轮发动机将不断改进、提高综合性能，推重也有望得到进一步的突破。根据Global Security关于涡扇15的介绍，目前我国最先 进的发动机是涡扇15发动机，推重比可达10，最大推力可达16吨，但与美、俄两国 相比，我国战斗机发动机的综合性能仍存在较大提升空间。

　　随着流体力学、热力学、结构力学、材料学、控制理论等航空发动机相关学科的断发展，战斗机发动机沿着综合性更高、耗油率逐步降低、结构更紧凑、费用更低 可靠性和耐久性的方向发展。

　　战斗机发动机的推重比，第一代为3.0~4.0；第二代为5.0~6.0；第三代为7.0~8.0， 其改进型达到8.0~10.0；为10。战斗机发动机的涡轮进口温度，第一代 为1200~1300K；第二代为1400~1500K；第三代为1600~1750K，改进有所提高；第 四代达到1800~2050K。增压比对不加力工作条件下发动机的效力和耗油率有很大 影响。战斗机发动机总增压比，第三代为25左右，改进型提高到30以上；为 26~35。耗油率亦是衡量发动机经济性的重要指标。其最大加力耗油率呈现增长趋势， 而最大推力状态耗油率呈现小幅降低的趋势。战斗机发动机的最大推力状态耗油率 已从1.0-1.2kg/（daN·h）下降到第4代的0.6 -0.7kg/（daN·h）。

　　涡轮叶片是涡扇发动机中制造难度和制造成本最高的叶片，材料和制造技术推动航 空发动机更新换代。在各类武器装备中，航空发动机对材料和制造技术的依存度最 为突出，航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求， 把对材料和制造技术的要求逼到了极限。材料和工艺技术的发展促进了发动机更新 换代，如：第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料，第三代发动机开始应用复 合材料及先进的工艺技术，发动机广泛应用复合材料及先进的工艺技术。导 向叶片、工作叶片对于发动机来说是压力最高温度最高的地方，通过冷却技术、提 高合金承温能力以及热障涂层使涡轮工作温度进一步提高。相较于风扇叶片和压气 机叶片，涡轮叶片的特点主要表现在原材料要求高、制造工艺难度大、成本高。

　　战斗机发动机价值占重复性出厂成本的10-20%左右。重复性出厂成本包含机体、航 电、发动机、工程更改、管理等。根据美国空军采购预算，F-15战斗机采用F110或 F110发动机，价值量占比13%（2021年预算数据）；F-22战斗机是双发机型，采用 F119发动机，因此发动机价值量占比较其他型号略高，达15%（2009年预算数据）；F-35采用F135发动机，价值量占比12%（2015年预算数据）。民用飞机发动机价值 量占比相较战斗机或较高。传统上认为机型越小，发动机价值占比越高，机型越大， 发动机价值占比越低。但民用与军用飞机不同，军用飞机成本拆分显示机身和机电 系统同样价格昂贵，主要原因是战斗机隐身需求对工艺和复合材料要求较高，机动 性和反应速度需求对机电系统要求较高。而对于民用飞机来说，其机体和航电系统 的性能只需要达到合格标准，反而突显了发动机价值占比较高。

　　晶圆制造行业属于半导体商业模式分工环节的一环。半导体行业产业链从上游到下 游大体可分为：设计软件（EDA）、设备、材料（晶圆及耗材）、IC设计、代工、封 装等。Fabless与IDM厂商负责芯片设计工作，其中IDM厂商是指集成了设计、制造、 封装、销售等全流程的厂商，一般是一些科技巨头公司，Fabless厂商相比IDM规模 更小，一般只负责芯片设计工作。分工模式（Fabless-Foundry）的出现主要是由于 芯片制程工艺的不断发展，工艺研发费用及产线投资升级费用大幅上升，导致一般 芯片厂商难以覆盖成本，而 Foundry厂商则是统一对Fabless和IDM的委外订单进行 流片，形成规模化生产优势，保证盈利同时不断投资研发新的制程工艺，是摩尔定 律的主要推动者。

　　以台积电为代表的追求先进制程的晶圆厂逐步减少。当前，晶圆代工厂的发展模式 有两种，追求先进制程及盈利最大化模式。前者以台积电、三星、英特尔为代表，后 者以中芯国际、联电、华虹半导体、世界先进等为典型。追求先进制程的企业，会将 生产资源优先投入先进制程的投入与研发；而以追求最大盈利的企业，会逐步放弃 追求先进制程，资本开支、研发投入等强度及额度的减少，会使得公司的盈利能力 及现金流好转，同时因为放弃对先进制程的投资，设备端等固定资产投入会随着产 量的增长而减少，进而摊薄固定成本。追求先进制程的台积电市占率、毛利率均处 于绝对优势，2018年据中芯国际招股书，台积电纯晶圆代工销售额全球市占率为59%， 毛利率达48%。

　　台积电在关键制程取得领先后会进一步加大资本投入，持续在制程方向上保持领先 优势。晶圆代工商业模式的重要特点之一是，在行业的工艺与技术高壁垒下，业内 头部厂商前期规模、技术、人员等生产资源的投入，会逐渐积淀成企业的创新能力， 创新方向与资源投入具有一致性，避免资源的浪费，提高经营与生产效率。随着摩 尔定律的不断进行，掌握核心工艺技术的台积电，在关键制程节点取得领先优势后， 会逐步加大资源投入，进一步在制程方向上持续取得领先优势，前期积累的资本投 入及技术经验逐步巩固公司护城河，形成“先进制程获得高市场份额→高营收规模→ 高资本支出与研发投入→持续稳固先进制程优势→更高营收规模支持更高资本支出 与研发投入”的良性发展驱动力。

　　与晶圆制造厂商类似，航空发动机格局持续稳固的关键在于研发资源单一方向的持 续性投入。我们认为，可实现研发资源单一方向的持续性投入，以逐步加深龙头企 业护城河的细分赛道通常具有三个典型特点，一是技术系统复杂。行业技术系统化、 复杂化程度高，以及专利壁垒高，可确保龙头企业前期的研发投入资源的资产化以 及盈利的长期性（如果企业能够证明开发支出符合无形资产的定义及相关确认条件， 则可将其确认为无形资产）；二是技术升级方向具有单一性。行业技术研发迭代方 向具有单一性，如晶圆代工厂核心研发方向是使制程持续缩小，可保证龙头企业研 发投入的效率最大化，并强化工程经验的积累，减少技术积累被颠覆的可能性；三 是技术迭代所需资本投入高，高研发投入是确保行业格局稳固的关键因素之一。

　　以美国为例，美国三军装备升级，先进战机及发动机市场空间较为广阔。F-35战斗 机是美国研制的低成本、新一代多用途战术攻击机，使用的动力装置是F135推进系 统。从开始研制，F135推进系统就选定了F119改进型发动机作为主推进系统，发展 常规起落型F135-PW-100推进系统和舰载短距起落型F135-PW-600推进系统这两 种型别的常规涡扇发动机。采用通用主推进系统，可实现一机多用，提高经济可承 受性。投入使用后, F-35战斗机将替代AV-8B “鹞”式、A-10、F-16、F-15、F/A-18E/F、 英国“鹞”式GR-7和“海鹞”战斗机。

　　民用领域为长期发展方向，疫情影响消退后需求有望提速。在以国 内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局下，国民经济将保持稳定 增长，是中国航空运输市场发展的主要动力。从长周期来看，我国航空客运周转量 仍将保持较快增长，预计2021~2040年我国需要补充民用客机7646。